專利名稱：制造棒線材熱軋輥碳化鎢硬質(zhì)合金耐磨涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冶金設(shè)備部件表面制備耐磨、抗熱涂層的方法，特別是涉及一種采用激光熔覆技術(shù)在棒線材熱軋輥表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的方法，屬于激光熔覆技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
2009年以來國家陸續(xù)投入4萬億元資金加強鐵路交通建設(shè)、城鎮(zhèn)基礎(chǔ)建設(shè)、能源開發(fā)建設(shè)、水利工程建設(shè)、房地產(chǎn)開發(fā)以及各種惠農(nóng)政策等項目的實施。2009年棒材和鋼筋的產(chǎn)量為17715萬噸，線材產(chǎn)量為9586萬噸。具不完全統(tǒng)計全國大約有500多套棒線材軋機生產(chǎn)線，09年全國又掀起了興建高速線材、熱軋帶肋鋼筋及棒材的新一輪高潮，估計目前我國棒材軋機和線材軋機生產(chǎn)線的總數(shù)將超過600套，產(chǎn)能近3億噸，而冶金軋輥是棒線材軋鋼生產(chǎn)線重要的關(guān)鍵消耗部件，軋輥的性能和使用壽命不僅決定了軋輥消耗，而且決定了軋鋼生產(chǎn)產(chǎn)量和效率、能源消耗及產(chǎn)品質(zhì)量，決定軋輥使用壽命的主要性能為軋輥強度和表面高溫耐磨性。理想的軋輥應(yīng)同時具備高強度和高耐磨性，近百年來軋輥制造技術(shù)的發(fā)展主要是從冶煉、制造工藝、材質(zhì)改進(jìn)及熱處理方面來調(diào)和軋輥強度與耐磨性的基本矛盾。在無法有效剝離上述基本矛盾的前提下，傳統(tǒng)的材料及工藝技術(shù)的開發(fā)必然會帶來軋輥制造成本的大幅上升。如想使軋輥兼?zhèn)涓邚姸群透吣湍バ?，制造過程中需添加大量貴重、稀有的鎳、鉬、 鎢等合金材料，造成難以承受的高成本，同時，軋輥的功能層僅幾至幾十毫米，而整體高合金的添加也造成稀缺資源的嚴(yán)重浪費。因此，選擇適當(dāng)?shù)脑诎艟€材熱軋輥表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的工藝，使棒線材熱軋輥表面碳化鎢硬質(zhì)合金涂層與基體結(jié)合強度高、耐磨性能好、合金涂層的厚度均勻， 是所屬領(lǐng)域當(dāng)前亟待解決的課題。激光熔覆技術(shù)作為一種先進(jìn)的再制造技術(shù)，近年來得到了迅速推廣和廣泛應(yīng)用。激光熔覆技術(shù)是利用高能量密度(IO3 109W/cm2)的激光束，使材料表面成分、組織結(jié)構(gòu)和性能實現(xiàn)預(yù)期變化的技術(shù)。以不同的填料方式在被涂覆表面預(yù)先放置選擇的涂層材料，經(jīng)激光照射使之和基體表面一薄層同時熔化，并且快速凝固后形成稀釋度極低的、與基體材料形成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體材料的表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化的一種工藝。激光熔覆主要有以下優(yōu)點(1)激光能量密度高，作用時間短，基體材料的熱影響區(qū)和由于加工應(yīng)力而產(chǎn)生的變形??；(2)熔覆層結(jié)構(gòu)細(xì)密，微觀缺陷小，結(jié)合性高，性能優(yōu)異；(3)激光熔覆對環(huán)境的污染??；(4)涂層與基體界面為冶金結(jié)合，組織細(xì)小，熔覆層成分及稀釋率可控，易實現(xiàn)選區(qū)熔覆，易實現(xiàn)自動化制備。目前，關(guān)于利用激光熔覆工藝制備設(shè)備部件耐磨合金涂層的專利和報道很多例如，公開號為CN 1932082的中國發(fā)明專利申請給出的《在結(jié)晶器表面激光快速熔覆制備耐磨抗熱復(fù)合涂層工藝》，其特點在于利用高功率激光器，通過激光快速掃描在結(jié)晶器銅板表面熔覆與基體成冶金結(jié)合的良好的韌性打底過渡層，并通過激光寬帶熔覆在打底合金表面制備耐磨及抗熱性能優(yōu)良的鈷基合金。公開號為CN1786272的中國發(fā)明專利申請給出的《激光熔覆鎳基納米WC/Co預(yù)涂層的制備方法》，該制備方法包括下列步驟①按每克重的蟲膠與10 20克重的無水乙醇稱量蟲膠和無水乙醇，然后將所述的蟲膠加入無水乙醇中制成粘結(jié)劑；②根據(jù)需要按每克鎳基納米WC/Co粉末與0. 1毫升 0. 25毫升的粘結(jié)劑的比例，稱量鎳基納米WC/Co粉末和所述的粘結(jié)劑并混合，充分?jǐn)嚢杈鶆蛑瞥深A(yù)涂膠；③將上述預(yù)涂膠均勻地涂在待激光熔覆處理的工件表面，制成預(yù)涂層；④烘干。采用自制的粘結(jié)劑制備鎳基納米WC/Co預(yù)涂層，然后再采用激光熔覆工藝，制備出了表面較平整，較細(xì)密、基本消除了裂紋與孔隙并與基體呈冶金結(jié)合的鎳基納米WC/Co復(fù)合涂層。公開號為CN101338427的中國發(fā)明專利申請給出的《液壓支架立柱缸筒、活塞桿耐磨抗蝕涂層的激光熔覆工藝》，包括以下工藝過程首先立柱缸筒、活塞桿表面預(yù)處理室溫下對立柱缸筒、活塞桿表面進(jìn)行除油、除銹，并用酒精清洗干凈；然后合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調(diào)節(jié)選用具有優(yōu)良耐磨抗蝕性能且與基體冶金相容性良好的鐵基合金粉末，鐵基合金粉末的成份中主要含有Fe、C、Cr、Ni、Mo、Si、N、Nb、Ta、B ；最后自動送粉裝置的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)自動送粉裝置，使自動送粉頭出來的合金粉末正好落在激光熔池內(nèi)，調(diào)節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達(dá)到0. 6-1. 2mm。公開號為CN101338425的中國發(fā)明專利申請給出的《鐵路道岔滑床板表面耐磨抗蝕合金涂層激光熔覆工藝》，包括以下工藝過程首先滑床板表面預(yù)處理，即在室溫下對滑床板表面進(jìn)行除油除銹，并用酒精清洗干凈；然后是合金粉末的預(yù)置，即把待熔覆的鐵基、 鎳基或鈷基合金粉末預(yù)置于上述處理后的滑床板表面，并用帶有導(dǎo)軌的刮尺來調(diào)整預(yù)制合金粉末，使之均勻分布在滑床板表面并具有適當(dāng)?shù)暮穸?，以滿足熔覆后涂層厚度的要求；最后是光熔覆強化滑床板，選用氣體CO2激光器，工作臺為數(shù)控機床，在滑床板表面進(jìn)行激光熔覆強化。公開號為CN101338428的中國發(fā)明專利申請給出的《鎬形截齒齒體頭部激光熔覆耐磨涂層強化工藝》，包括以下工藝過程首先是截齒齒體頭部表面預(yù)處理；然后是合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調(diào)整；最后是截齒頭部激光熔覆耐磨合金涂層。公開號為CN101109026的中國發(fā)明專利申請給出的《一種高爐風(fēng)口套表面耐磨抗熱復(fù)合涂層的激光熔焊方法》，其特征在于利用高功率激光器，通過激光快速掃描在高爐風(fēng)口套表面激光熔焊與基體成冶金結(jié)合的良好的鎳基韌性過渡層，并通過激光寬帶熔覆在鎳基過渡層表面制備耐磨及抗熱性能優(yōu)良的鈷基合金，其工藝過程如下(1)高爐風(fēng)口套表面預(yù)處理，在室溫下采用200 300G/L的H2S04與100 120G/L的HCL的混合液對高爐風(fēng)口套表面進(jìn)行除油去銹處理；( 等離子噴涂預(yù)沉積鎳基打底合金，噴涂前先將樣品用丙酮清洗，然后進(jìn)行噴砂粗化處理，噴涂時采用氫氣做助燃?xì)?，氬氣做保護氣，先將噴槍火苗提高，對樣品進(jìn)行50-100°C預(yù)熱，然后在電壓55V，電流500A條件下進(jìn)行等離子噴涂， 預(yù)沉積打底合金涂層厚度為0. 3 0. 4MM ； (3)高功率激光器快速熔焊鎳基打底合金，選用 DL-HL-T10000型C02激光器，工作臺為SIEMENS數(shù)控機床，用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式(低階模)，獲得穩(wěn)定的等離子體弧狀態(tài)，對噴涂后的高爐風(fēng)口基材進(jìn)行400-50(TC 預(yù)熱，然后進(jìn)行激光熔焊，具體工藝參數(shù)如下聚焦鏡F=150，熔焊功率P=6000W，光斑直徑D=L 8MM,掃描速度V=4-10M/MIN，搭接率40-60% ； (4)高功率激光器寬帶熔覆鈷基合金，采取同步送粉方式喂入合金粉末，采用寬帶熔覆方法在鎳基打底合金涂層表面激光熔覆鈷基合金，其參數(shù)為熔覆功率P=3000W，矩形光斑20X1MM2，掃描速度V=4_10M/MIN，搭接率 40-60% ； (5)后續(xù)熱處理，激光寬帶熔覆鈷基合金后要慢速緩冷，在熱處理爐中對工件進(jìn)行 300°C去應(yīng)力退火6個小時?，F(xiàn)有技術(shù)給出的上述技術(shù)方案雖能利用激光熔覆工藝對部分設(shè)備部件進(jìn)行耐磨涂層處理，取得一定的技術(shù)效果。但對其他特定的設(shè)備部件，例如像棒線材熱軋輥這樣特定的設(shè)備部件，現(xiàn)有激光熔覆工藝所提供的工藝參數(shù)已明顯不能適應(yīng)。經(jīng)本申請人檢索查證采用激光熔覆工藝在棒線材熱軋輥表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層，國內(nèi)尚無先例，國外也沒有見到相關(guān)報道。因此，尋找出適當(dāng)?shù)牟捎眉す馊鄹苍诎艟€材熱軋輥表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的工藝參數(shù)，仍需所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步作出創(chuàng)造性的研究工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)對在棒線材熱軋輥表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層處理難的課題，利用激光熔覆技術(shù)的優(yōu)異性能，解決棒線材軋輥在制造使用過程中強度與耐磨性的矛盾，給出了一種新的在棒線材熱軋輥表面制備碳化鎢硬質(zhì)合金涂層的方法。 本發(fā)明在普通的軋輥基體上，采用激光熔覆的工藝手段，使基體表面形成0. I-Imm左右的鎳基合金為粘接相的碳化鎢硬質(zhì)合金涂層，從而提高軋輥使用壽命數(shù)倍以上。本發(fā)明給出的技術(shù)方案是這種制造棒線材熱軋輥碳化鎢硬質(zhì)合金耐磨涂層的方法，其特點是工藝過程如下1、碳化鎢硬質(zhì)合金激光熔覆材料的配制。A、鎳基合金為粘接相的化學(xué)成分，其各組分按重量百分?jǐn)?shù)計為碳0. 08-0. 2%、硅 2. 5-3. 5%、硼 1. 5-2. 5%、鉻 2_6%、鐵 2_6%、其余為鎳。B、碳化鎢特征球狀鑄造碳化鎢，粒度45-60um。C、粉末比例球狀鑄造碳化鎢重量百分?jǐn)?shù)為30%—80%;鎳基合金為粘接相重量百分?jǐn)?shù)為20%—70%。按上述材料及配比范圍在電子天平上進(jìn)行配制，并在混粉器進(jìn)行混合4小時以上。2、工作層機械加工及表面清理。機械加工預(yù)留出激光熔覆所需的工作層厚度，對棒線材熱軋輥表面的油污和銹層進(jìn)行清理，以保證涂層與基體結(jié)合強度。3、激光熔覆加工。1)合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調(diào)整根據(jù)軋輥的工況，選用合適比例粘接相、球狀鑄造碳化鎢粉末，調(diào)節(jié)自動送粉裝置送粉速率，以滿足涂層厚度所需送粉速率。2)激光熔覆工藝參數(shù)。圓形光斑熔覆聚焦鏡f= 100 400，熔覆功率P=3000 5000W，光斑直徑D=3 6mm，熔覆掃描速度V=200 1000mm/min，搭接率45 55%。矩形光斑激光寬帶熔覆熔覆功率P=3000 5000W，矩形光斑長X寬=3. 5mmX (1 2) mm，熔覆掃描速度V=IOO 800mm /min，搭接率45 55%。
本發(fā)明自行配制的合金粉末由于鎳基合金為粘接相與球狀鑄造碳化鎢具高的較高浸潤性及材料熱物性的差異協(xié)調(diào)性，因而有優(yōu)藝的抗熱疲勞性和抗熱磨損性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是在普通的棒線材熱軋輥上，通過采用激光熔覆的工藝手段，在棒線材熱軋輥表面制造0. I--Imm的碳化鎢硬質(zhì)合金耐磨涂層，可大幅延長輥役，實現(xiàn)資源效益最大化，另外激光熔覆工藝對環(huán)境無污染、無輻射、低噪聲，還具有生產(chǎn)率高、能耗低、成品率高以及綜合成本低等特點。
具體實施例方式實施例1。激光熔覆制造棒線材熱軋輥碳化鎢硬質(zhì)合金耐磨涂層工藝，包括以下過程1、碳化鎢硬質(zhì)合金激光熔覆材料的配制。A、鎳基合金為粘接相的化學(xué)成分，其各組分按重量百分?jǐn)?shù)計為碳0.洲硅3. 5%硼 2. 5%鉻6%鐵6%其余為鎳。B、碳化鎢特征球狀鑄造碳化鎢。C、粉末比例球狀鑄造碳化鎢重量百數(shù)為80%;鎳基合金為粘接相重量百數(shù)為 20%。按上述材料及配比在電子天平上進(jìn)行配制，并在專用混粉器進(jìn)行混合4小時以上。棒線材軋輥基體材料為中鎳鉻鉬無限冷硬合金鑄鐵軋輥。2、工作層機械加工及表面清理。機械加工的目的是為了預(yù)留激光熔覆所需的工作層厚度，表面清理是保證涂層與基體結(jié)合強度的重要工序，油污等用溶劑或清洗劑清除，對銹層可用打磨或噴砂清除。3、激光熔覆加工。1)合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調(diào)整根據(jù)軋輥的工況，選用上述比例的粘接相、球狀鑄造碳化鎢粉末，調(diào)節(jié)自動送粉裝置送粉速率，以滿足涂層厚度所需送粉速率。
2)激光熔覆工藝參數(shù)聚焦鏡f = 400，熔覆功率P=4000W，光斑直徑D=4mm，熔覆掃描速度 V=1000mm/min，搭接率 50%。實施例2。激光熔覆制造棒線材熱軋輥碳化鎢硬質(zhì)合金耐磨涂層工藝，包括以下過程1.碳化鎢硬質(zhì)合金激光熔覆材料的配制。A、鎳基合金為粘接相的化學(xué)成分，其各組分按重量百分?jǐn)?shù)計為碳0. 1%硅2. 5%硼 1. 5%鉻鐵其余為鎳。B、碳化鎢特征球狀鑄造碳化鎢。C、粉末比例球狀鑄造碳化鎢重量百數(shù)為60%;鎳基合金為粘接相重量百數(shù)為 40%。按上述材料及配比在電子天平上進(jìn)行配制，并在專用混粉器進(jìn)行混合4小時以上。棒線材軋輥基體材料為鑄鋼軋輥。2、工作層機械加工及表面清理。
機械加工的目的是為了預(yù)留激光熔覆所需的工作層厚度，表面清理是保證涂層與基體結(jié)合強度的重要工序，油污等用溶劑或清洗劑清除，對銹層可用打磨或噴砂清除。3、激光熔覆加工。1)合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調(diào)整根據(jù)軋輥的工況，選用上述比例粘接相、球狀鑄造碳化鎢粉末，調(diào)節(jié)自動送粉裝置送粉速率，以滿足涂層厚度所需送粉速率。2)激光熔覆工藝參數(shù)熔覆功率P=10000W，矩形光斑長X寬=3. 5mmX lmm,熔覆掃描速度V=600mm /min,搭接率40%。
權(quán)利要求
1.一種制造棒線材熱軋輥碳化鎢硬質(zhì)合金耐磨涂層的方法，其特征在于工藝過程如下(1)碳化鎢硬質(zhì)合金激光熔覆材料的配制A、鎳基合金為粘接相的化學(xué)成分碳 0. 08-0. 2%、硅 2. 5-3. 5%、硼 1. 5-2. 5%、 鉻2-6%、鐵2-6%、其余為鎳，B、碳化鎢特征球狀鑄造碳化鎢，粒度45-60um，C、粉末比例球狀鑄造碳化鎢重量百數(shù)為30%—80%;鎳基合金為粘接相重量百數(shù)為20%—70%.， 按上述材料及配比范圍在電子天平上進(jìn)行配制，并在混粉器進(jìn)行混合4小時以上；(2)工作層機械加工及表面清理機械加工預(yù)留出激光熔覆所需的工作層厚度，對棒線材熱軋輥表面的油污和銹層進(jìn)行清理，以保證涂層與基體結(jié)合強度；(3)激光熔覆加工1)合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調(diào)整根據(jù)軋輥的工況，選用合適比例粘接相、球狀鑄造碳化鎢粉末，調(diào)節(jié)自動送粉裝置送粉速率，以滿足涂層厚度所需送粉速率； 2)激光熔覆工藝參數(shù)圓形光斑熔覆 聚焦鏡f = 100 400， 熔覆功率P=3000 5000W， 光斑直徑D=3 6mm， 熔覆掃描速度V=200 1000mm/min， 搭接率45 55% ； 矩形光斑激光寬帶熔覆 熔覆功率P=3000 5000W， 矩形光斑長X寬=3. 5mmX (1 2) mm, 熔覆掃描速度V=IOO 800mm /min, 搭接率45 55%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造棒線材熱軋輥碳化鎢硬質(zhì)合金耐磨涂層的方法，其特征在于較好的鎳基合金的化學(xué)成分按重量百分?jǐn)?shù)計為碳0. ，硅3. 5%，硼2. 5%，鉻6%， 鐵6%，其余為鎳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造棒線材熱軋輥碳化鎢硬質(zhì)合金耐磨涂層的方法，其特征在于較好的鎳基合金的化學(xué)成分按重量百分?jǐn)?shù)計為碳0. 1%，硅2. 5%，硼1. 5%，鉻洲， 鐵洲，其余為鎳。
全文摘要
制造棒線材熱軋輥碳化鎢硬質(zhì)合金耐磨涂層的方法，在普通的軋輥基體上，采用激光熔覆的工藝手段，使基體表面形成0.1-1mm左右的鎳基合金為粘接相的碳化鎢硬質(zhì)合金涂層，其工藝過程先進(jìn)行碳化鎢硬質(zhì)合金激光熔覆材料的配制；再工作層機械加工及表面清理，然后激光熔覆加工使棒線材熱軋輥表面形成碳化鎢硬質(zhì)合金涂層。本發(fā)明大幅延長輥役，實現(xiàn)資源效益最大化，具有生產(chǎn)率高、能耗低、熔覆層加工余量小、成品率高以及綜合成本低等特點。
文檔編號C23C24/10GK102453897SQ20101051869
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者崔忠寶, 陳海濤, 陶興啟 申請人:沈陽大陸激光成套設(shè)備有限公司